九里山礦底板巖巷施鉆瓦斯涌出規(guī)律研究

楊 恒，辛新平，魏國營，李學(xué)臣，劉小磊，郝 殿，賈天讓，郭艷飛

（1.河南能源集團(tuán)有限公司，河南鄭州 450046；2.河南理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南焦作 454003；3.焦作煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司科學(xué)技術(shù)研究所，河南焦作 454002）

隨煤礦開采“雙零”目標(biāo)的提出，開采過程中對(duì)瓦斯體積分?jǐn)?shù)要求越來越嚴(yán)格，瓦斯超限也是制約煤礦開采的主要難題，前人就煤礦瓦斯涌出規(guī)律進(jìn)行了一系列研究，研究了瓦斯涌出的影響因素[1-4]，提出了一系列瓦斯涌出量預(yù)測(cè)方法[5-9]。魏東等[10]通過研究“三軟”煤層瓦斯涌出規(guī)律，分析了采掘期間瓦斯涌出規(guī)律，改進(jìn)了瓦斯抽采措施；付帥等[11]通過分析巷道瓦斯涌出規(guī)律，研究了巷道掘進(jìn)速度與瓦斯涌出量之間的關(guān)系；張鐳等[12]以長嶺煤礦為例研究了開采層、鄰近層及采空區(qū)瓦斯涌出規(guī)律；伍小沙等[13]利用數(shù)值模擬研究了鉆孔瓦斯涌出量與瓦斯壓力的關(guān)系；張羽等[14]以余吾煤礦3 號(hào)煤層為例，研究了掘進(jìn)過程落煤瓦斯涌出影響因素；何云文等[15]通過分析急傾斜煤層瓦斯涌出影響因素，建立了相應(yīng)的預(yù)測(cè)方法。從以上研究可以看出，前人更多的是關(guān)注回采及掘進(jìn)期間瓦斯涌出問題，對(duì)施鉆過程中瓦斯涌出規(guī)律研究不足。基于此，以焦作礦區(qū)九里山礦為例，研究底抽巷施鉆期間瓦斯涌出規(guī)律，闡明施鉆期間瓦斯涌出主要來源，為防噴裝置研究提供理論基礎(chǔ)。

1 巷道堆煤瓦斯涌出規(guī)律

鉆孔施工作業(yè)期間，瓦斯涌出源頭主要包括圍巖瓦斯涌出、巷道堆煤瓦斯涌出及鉆孔瓦斯涌（噴）出。目前，焦作礦區(qū)均采用底抽巖巷穿層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯，巷道圍巖瓦斯涌出可基本忽略不計(jì)。

為考察巷道堆煤對(duì)瓦斯超限的影響，在九里山礦東二中間底抽巷、16131 中間底抽巷進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)考察。在施工現(xiàn)場(chǎng)采集剛沖出的煤粉（過濾水分）裝入煤樣罐，采用井下瓦斯解吸儀進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)解吸，考察煤粉解吸規(guī)律。九里山礦東二中間底抽巷穿層鉆孔沖孔煤粉解吸情況見表1。

表1 九里山礦東二中間底抽巷穿層鉆孔沖孔煤粉解吸情況Table 1 Desorption of coal powder punched by borehole in the east second middle bottom pumping lane of Jiulishan Mine

由表1 可以看出，所取煤樣受沖孔水分影響，現(xiàn)場(chǎng)解吸量整體較小，40 min 內(nèi)煤樣瓦斯基本不再涌出，且不同傾角沖煤瓦斯涌出情況較平均；其中，東二中間底抽巷統(tǒng)尺112～232.5 m 范圍測(cè)定原始瓦斯含量為14.24～17.30 m3/t，平均為15.74 m3/t，沖孔煤樣累計(jì)瓦斯解吸量為0.12～0.48 m3/t，平均0.26 m3/t；16131 中間底抽巷370.0～418.5 m 范圍測(cè)定原始瓦斯含量為14.89～19.11 m3/t，平均為16.69 m3/t，沖孔煤樣累計(jì)瓦斯解吸量為0.37～1.14 m3/t，平均為0.62 m3/t。

隨煤層賦存原始瓦斯含量增大，沖煤瓦斯涌出量呈快速增大趨勢(shì)。該部分瓦斯涌出后，將直接逸散到巷道風(fēng)流中。若按照東二中間底抽巷四部鉆機(jī)同時(shí)沖孔，鉆孔出煤量為1 t/m，單班沖孔進(jìn)尺20 m 計(jì)算，沖孔煤約釋放5.2 m3瓦斯涌入巷道風(fēng)流；16131 中間底抽巷三部鉆機(jī)同時(shí)施工，鉆孔出煤量為1 t/m，單班沖孔進(jìn)尺15 m 計(jì)算，沖孔煤約釋放9.3 m3瓦斯涌入巷道風(fēng)流，若按照底抽巷300～500 m3/min 風(fēng)量計(jì)算，風(fēng)流瓦斯體積分?jǐn)?shù)增加不足0.01%，可忽略不計(jì)。

2 孔口瓦斯涌出規(guī)律

施鉆過程中，瓦斯從鉆孔不斷涌出，雖然目前各礦井均使用了防噴裝置，由于裝置的不可靠性，仍會(huì)從鉆孔四周涌出大量瓦斯，對(duì)鉆孔瓦斯涌出規(guī)律進(jìn)行考察，鉆孔下風(fēng)側(cè)瓦斯體積分?jǐn)?shù)測(cè)定布置圖如圖1。

圖1 鉆孔下風(fēng)側(cè)瓦斯體積分?jǐn)?shù)測(cè)定布置圖Fig.1 Layout of gas volume fraction measurement at the downwind side of borehole

選擇鉆孔下風(fēng)側(cè)0.5、1.0、1.5、2.0 m 4 個(gè)斷面，每個(gè)斷面劃分成300 mm×300 mm 的網(wǎng)格，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行若干點(diǎn)測(cè)定。根據(jù)測(cè)點(diǎn)布置，利用光學(xué)瓦斯檢定器分別在4 個(gè)斷面進(jìn)行瓦斯體積分?jǐn)?shù)測(cè)定，因打鉆時(shí)瓦斯涌出不均衡，測(cè)定時(shí)間選擇在停鉆瓦斯涌出穩(wěn)定后測(cè)定。為更加直觀、準(zhǔn)確的分析瓦斯體積分?jǐn)?shù)分布規(guī)律，根據(jù)測(cè)定結(jié)果，利用surfer 軟件繪制瓦斯體積分?jǐn)?shù)等值線圖，鉆孔下風(fēng)側(cè)距鉆孔不同距離瓦斯體積分?jǐn)?shù)分布云圖如圖2。

圖2 鉆孔下風(fēng)側(cè)距鉆孔不同距離瓦斯體積分?jǐn)?shù)分布云圖Fig.2 Cloud diagrams of gas concentration distribution at different distances from borehole downwind side to borehole

由圖2 可知，在鉆機(jī)下風(fēng)側(cè)0.5 m 處，由于距孔口距離近，鉆孔內(nèi)涌出瓦斯還未充分稀釋，瓦斯體積分?jǐn)?shù)較大的（大于1%）區(qū)域：孔口以下0.2 m 及以上約1 m 的區(qū)域內(nèi)，最高瓦斯體積分?jǐn)?shù)達(dá)6.04%；在下風(fēng)側(cè)1.0 m 處，瓦斯體積分?jǐn)?shù)較大的（大于1%）區(qū)域：孔口以上0.1～0.8 m 的區(qū)域內(nèi)，在巷道中部范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，最高瓦斯體積分?jǐn)?shù)達(dá)3.88%；在下風(fēng)側(cè)1.5 m 處，瓦斯體積分?jǐn)?shù)較大的（大于1%）區(qū)域：孔口以上0.2～1 m 的區(qū)域內(nèi)，最高瓦斯體積分?jǐn)?shù)達(dá)3.28%；在下風(fēng)側(cè)2.0 m 處，鉆孔內(nèi)涌出瓦斯和風(fēng)流以混合較充分，瓦斯體積分?jǐn)?shù)大部分降至0.4%以下，只有巷道頂附近有少部分瓦斯體積分?jǐn)?shù)較大，最高達(dá)1.52%。

根據(jù)測(cè)定分析可以看出，在正常施工情況下，在下風(fēng)側(cè)2.0 m 處，仍存在瓦斯體積分?jǐn)?shù)超過1%的瓦斯，噴孔時(shí)瓦斯體積分?jǐn)?shù)較大的區(qū)域分布范圍更廣，目前在用的防噴裝置很難起到防超限的作用。

3 結(jié) 語

1）底板巖巷施鉆過程中，瓦斯涌出量主要來源于堆煤釋放瓦斯和打鉆期間鉆孔涌出瓦斯，通過分析發(fā)現(xiàn)，堆煤釋放瓦斯體積分?jǐn)?shù)在正常通風(fēng)條件下，不會(huì)造成瓦斯超限，但鉆孔涌出瓦斯可能會(huì)導(dǎo)致瓦斯超限。

2）正常施鉆期間，距鉆孔不同距離，瓦斯體積分?jǐn)?shù)有所不同，孔口附近，瓦斯體積分?jǐn)?shù)整體偏高，隨距離增大，瓦斯體積分?jǐn)?shù)逐漸開始下降，但瓦斯體積分?jǐn)?shù)較大的區(qū)域會(huì)不斷呈現(xiàn)先擴(kuò)大后減小的規(guī)律。據(jù)此也說明，正常施鉆期間瓦斯體積分?jǐn)?shù)就可能超限，噴孔期間若防噴裝置密封不嚴(yán)會(huì)導(dǎo)致瓦斯體積分?jǐn)?shù)超限，也為防噴裝置研制提供了參考。